(57)【要約】【課題】  環境負荷を低減すると共に防災性に優れ、しかもコンパクトで経済性に優れるものとする。【解決手段】  タンク１２内に、鉄心１６，巻線１７等からなる変圧器本体１３を収容し、絶縁液体１４を注入，含浸した状態で密封構造とする。絶縁液体１４を、２５０℃以上の引火点を有し、ＰＰＤ等の流動点降下剤及びＤＢＰＣ等の酸化防止剤を添加してなる天然エステル例えば菜種油から構成する。変圧器１１を製造するにあたっては、変圧器本体１３をタンク１２内に収容し、乾燥処理を行ない、タンク１２内を真空引きして絶縁液体１４を注入する。放置後、タンク１２内の絶縁液体１４を水分含有量の少ない絶縁液体１４で置換する処理を行なうことにより、タンク１２内の初期水分濃度を２００ｐｐｍ以下とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部品が収容される容器内に絶縁液体を注入し、密封構造とした電気機器であって、
前記絶縁液体は、２５０℃以上の引火点を有し、流動点降下剤及び酸化防止剤を添加してなる天然エステルからなることを特徴とする電気機器。
【請求項２】
構成部品が収容される容器内に絶縁液体を注入し、密封構造とした電気機器であって、
前記絶縁液体は、２５０℃以上の引火点を有する合成エステルからなることを特徴とする電気機器。
【請求項３】
前記密封容器内の初期水分濃度が２００ｐｐｍ以下とされていることを特徴とする請求項１又は２記載の電気機器。
【請求項４】
前記構成部品中の絶縁物に耐熱クラスＡの絶縁物が使用されると共に、巻線温度上昇が６０〜７０Ｋに設定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電気機器。
【請求項５】
前記構成部品中の絶縁物の総量のうち、絶縁紙が７０重量％以上を占めることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電気機器。
【請求項６】
前記構成部品のうち絶縁材製の構造物は、プラスチック材料から構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電気機器。
【請求項７】
変換機などの過負荷定格を有する負荷に対して用いられることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電気機器。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の電気機器を製造するための方法であって、前記容器内に構成部品を収容した後、乾燥処理を行なわずに、真空引きのみを行って絶縁液体を注入することを特徴とする電気機器の製造方法。
【請求項９】
請求項３記載の電気機器を製造するための方法であって、前記容器内に構成部品を収容した後、該容器内に絶縁液体を注入し、その後、前記容器内の絶縁液体を水分含有量の少ない絶縁液体で置換する処理を行なうことを特徴とする電気機器の製造方法。
【請求項１０】
請求項３記載の電気機器を製造するための方法であって、前記容器内に構成部品を収容した後、該容器内に絶縁液体を注入し、その後、脱気装置等により前記容器内の絶縁液体に対する水分を除去する処理を行うことを特徴とする電気機器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構成部品が収容される容器内に絶縁液体を注入し、密封構造とした電気機器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電気機器としては、変圧器やリアクトルなどの静止誘導機器、タンク内に収容される油中母線、サイリスタバルブ等の、容器内に構成部品（機器本体）を収容して絶縁液体（絶縁油）で含浸させたものがある。図８は、その代表例として油入変圧器の構成を概略的に示している。ここで、油入変圧器は、タンク１内に、鉄心２及び巻線３等からなる変圧器本体４が収容され、該タンク１内に絶縁及び冷却のための絶縁油５が注入されて密封構造とされる。また、タンク１内の上部には、絶縁油５の熱膨張、収縮を吸収するための窒素室６が設けられている。この場合、上記した絶縁油５としては、一般に鉱油が用いられている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
尚、図示はしないが、この種の変圧器には各種の絶縁物が用いられており、一般に、巻線３の素線の被覆には絶縁紙が用いられ、ダクトピースやコイル押え等の構造物としてはプレスボードが用いられる。また、この種変圧器を製造するにあたっては、タンク１内に変圧器本体４を収容した後、乾燥処理によって変圧器本体４中に含まれていた水分を除去し、その後、真空引きを行なって絶縁油５を注入し、タンク１内を密封構造とすることが行なわれる。
【０００４】
ところで、近年、環境問題に対する対策として、工業製品におけるいわゆる３Ｒ、即ち、再使用（ＲＥＵＳＥ）、資源の再利用（ＲＥＣＹＣＬＥ）、廃棄物の発生抑制（ＲＥＤＵＣＥ）を推進することが要望されてきている。また、カーボンニュートラルという考え方も示されてきている。この考え方は、ＣＯ2の排出において、同じカーボン材料を使用するのであれば、生態系から生まれたカーボンを使用すると、そのカーボンは土に戻り、地球全体で大気に放出されるカーボン量は変化することはなく、一方、化石燃料のカーボンを使用すると、その分だけ余計に大気に放出されるので、化石燃料の使用を極力避けるべきであるというものである。
【０００５】
こういった環境保護の観点から上記油入変圧器を見れば、鉱油は化石燃料そのものであり、これを絶縁油５として使用することは、環境面で改善すべき問題であるといえる。また、油入変圧器が油漏れを起こすと、土壌を汚染するといった問題もあり、その意味でも絶縁液体として鉱油を用いることは好ましいことではないということができる。更に、鉱油は危険物に指定されているように、比較的燃えやすい液体であり、絶縁事故等の際に、条件によっては火災に至る虞もある。このため、地下などの高い防災性が要求される場所に油入変圧器を設置する場合には、固定消火設備の設置が必要とされ、システム全体が複雑で、スペースを多く必要とし、高価になってしまう不具合があった。
【０００６】
これに対し、地下等に設置する防災性を高めることのできる変圧器として、絶縁及び冷却媒体にＳＦ6ガスを用いたガス絶縁変圧器がある（例えば特許文献２参照）。しかし、ＳＦ6ガスは、地球温暖化ガスに指定されているように、使用の削減が求められているガスであり、環境面からＳＦ6ガスの使用は極力避けなければならない。他に、防災性が求められる場所に設置される変圧器として、モールド変圧器がある（例えば特許文献３参照）。ところが、このモールド変圧器は、適用において電圧及び容量に制限があり、全てをカバーできないものとなっている。しかも、モールドコイルそのものが産廃処理の対象であり、モールドコイル中の導体のリサイクルが困難な構造であり、環境面に配慮した製品であるとはいえない。
【特許文献１】特開平１１−３４００４８号公報
【特許文献２】特開２００１−３５８０２４号公報
【特許文献３】特開２００２−３４９９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、変圧器のような電気機器にあっては、環境負荷低減及び防災性が求められるのであるが、それらの観点以外にも、製品として求められることは、合理的な大きさ及び経済性である。つまり、いかに環境負荷を低減したとしても、現状の製品と比べて大形となり、また格段に高価なものとなると、実使用に適したものとはいえなくなる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、環境負荷を低減すると共に防災性に優れ、しかもコンパクトで経済性に優れる電気機器及びその製造方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明者らは、例えば変圧器等の電気機器における絶縁液体として、従来の鉱油に代えて、天然エステルを採用することにより、環境面で優れることに加え、絶縁媒体としての特性、性能面でも、従来の鉱油と同等あるいはそれ以上のものが得られることを知見し、本発明を成し遂げたのである。
即ち、本発明の電気機器は、構成部品が収容される容器内に絶縁液体を注入し、密封構造としたものにあって、前記絶縁液体を、２５０℃以上の引火点を有し、流動点降下剤及び酸化防止剤を添加してなる天然エステルから構成したところに特徴を有する（請求項１の発明）。
【０００９】
ここで、天然エステルとは、例えば、菜種、大豆など主として植物の種子や果実を搾って得られる植物油であり、多くは食用油として使用されている。この天然エステルは、優れた絶縁性及び冷却性を有し、これに加え、天然品であって生分解性があり、また、難燃性が高く、その多くは２５０℃以上の引火点を有している。従って、絶縁液体としての十分な性能が得られると共に、油漏れがあっても土壌を汚染することがなく、その難燃性により防災性に優れたものとなる。
【００１０】
この天然エステルは、炭化水素化合物であり、飽和炭化水素と不飽和炭化水素とからなる。天然エステルと称される理由は、分子中にエステル結合
【化１】
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をもっているからであり、一般にこのエステル結合は安定性が高い。この場合、飽和炭化水素が多いといわゆるロウ成分が多く、低温での流動性に劣る反面、酸化安定性が良好である。一方、不飽和炭化水素が多いとその逆になり、低温での流動性に優れる反面、酸化安定性に劣るものとなる。
【００１１】
そのうち低温での流動性は、電気機器の低温時の使用温度を決めるものとなる。日本国内においては、ＪＥＣ−２２００（電気学会  電気規格調査会規格「変圧器」）では、例えば−２０℃以上の温度で運転できるように規定されている。また、ＪＩＳ−Ｃ−２３２０（日本工業規格「電気絶縁油」）では、一種１号油、２号油において、流動点は−２７．５℃以下と規定されており、国内で使用する絶縁液体としては、−２７．５℃以下の流動点が必要である。また、酸化安定性は、絶縁油が酸化で劣化する際の強度を表すもので、電気機器に使用する場合には、最低限の安定性を保っている必要がある。
【００１２】
上記した天然エステルは、電気機器の絶縁液体として使用するには、そのままでは低温での流動性と酸化安定性とに問題がある。そこで、天然エステルに、流動点降下剤を添加することにより必要な低温での流動性を得ることができ、また、酸化防止剤を添加することにより、十分な酸化安定性を得ることができる。本発明者らの研究によれば、上記添加剤入りの天然エステルは、鉱油よりもやや劣るものの日本国内で使用するに問題のない流動点を得ることができ、また、鉱油と同等の酸化安定度を得ることができた。尚、上記流動点降下剤としては、ポリメタクリレート等を採用することができ、酸化防止剤としては、ＤＢＰＣ（ディターシャルブチルパラクレゾール）等を採用することができる。
【００１３】
そして、上記天然エステルは、引火点（及び燃焼点）が、鉱油に比べて大幅に高くなり、難燃性を大幅に向上させることができる。このとき、引火点が２５０℃以上であることにより、危険物の引火性液体の扱いを受けずに、可燃物扱いとなり、ひいては消防設備の簡略化も可能となる。また、上記天然エステルは、比誘電率が鉱油と比べて高く、油浸絶縁物の比誘電率（３．５〜４程度）に近いので、絶縁上の弱点である絶縁油に加わる電界を低減することができ、この結果、鉱油を用いた場合と比べて絶縁性能を向上させることができる。このことは、天然エステルを使用することにより、絶縁面でコンパクトな電気機器が得られることを示している。尚、天然エステルの絶縁破壊電圧は、鉱油と同程度であり、信頼性ある電気機器が得られる。
【００１４】
冷却性能についても、天然エステルは鉱油と同等の冷却性能を有していることが判明している。さらに、天然エステルは、飽和水分量が鉱油に比べて格段に大きく、例えば構成部品の絶縁物（絶縁紙等）に含まれていた水分を吸収しやすい性質を有する。絶縁性能面でも、含有水分量の許容値が鉱油に比べて十分に高い。これにより、水分による絶縁紙の劣化を防止し、鉱油を用いた場合に比べて電気機器の寿命を長くすることができ、しかも、製造工程において乾燥処理を簡略化することも可能となる。上記天然エステルは、従来の鉱油と比べてそれ自体は高価なものとなるが、電気機器全体としてみれば、絶縁液体を変更することによるコストアップは僅かであり、むしろ製造工程の簡略化、装置のコンパクト化などを考慮すれば、鉱油を用いた場合と比較して、コスト面でさほど不利とならずに済ませることができるのである。
【００１５】
本発明の電気機器においては、絶縁液体として、上記した天然エステルに代えて、合成エステルを採用することも可能である（請求項２の発明）。工業的に製造された合成エステルについても、上記したような天然エステルと同等の特性を有するため、カーボンニュートラルという自然材料を利用すること以外については、上記と同様の作用、効果を得ることができるのである。尚、合成エステルとしては、例えば一塩基性の脂肪酸と多価アルコールとを反応させて製造されるポリオールエステルなどを採用することができる。
【００１６】
また、本発明の電気機器においては、前記密封容器内の初期水分濃度を、２００ｐｐｍ以下とすることができる（請求項３の発明）。ここで、絶縁液体に水分が多く侵入すると、絶縁性能が低下し、ひいては液体中に放電が発生して遂には絶縁事故に至る虞がある。この場合、従来の鉱油では、水分量が数十ｐｐｍになると、絶縁破壊電圧が１／２になるのに対し、天然エステルあるいは合成エステルを用いた場合、数百ｐｐｍまで絶縁破壊電圧は変化しない。従って、本発明において、密封容器内の初期水分濃度を２００ｐｐｍ以下とすれば、高い絶縁性能が得られ、信頼性の向上を図ることができる。また従来の鉱油を用いた場合と比較して、水分量の管理も比較的容易となり、乾燥処理の工程の簡単化を図ることもできる。
【００１７】
本発明の電気機器においては、構成部品中の絶縁物に、耐熱クラスＡの絶縁物を使用すると共に、巻線温度上昇を６０〜７０Ｋに設定することができる（請求項４の発明）。ここで、一般に、油入変圧器等においては、巻線の被覆に用いられる絶縁紙の劣化度合によって機器の絶縁寿命が決まるが、天然エステルあるいは合成エステルは、上述のように、含有水分量の許容値が鉱油に比べて十分に高く水分を吸収しやすい特性があり、絶縁紙の含有水分量を少なくすることができるため、劣化が遅く、寿命を長くすることができる。ちなみに、天然エステルあるいは合成エステルを使用した場合には、鉱油を使用した場合の２〜４倍の寿命が期待できる。
【００１８】
これにより、耐熱クラスＡ（１０５℃）の絶縁物（絶縁紙やプレスボード）を使用していながらも、最高温度を通常の油入電気機器（１０５℃）よりも高くすることができ、具体的には巻線温度上昇を６０〜７０Ｋ（最高温度を１２０℃以上）に設定しても、同等の寿命が得られるのである。尚、自冷式の変圧器の場合、巻線の平均温度上昇は、雰囲気に対して５５Ｋと規定されている。
【００１９】
本発明の電気機器においては、前記構成部品中の絶縁物の総量のうち、絶縁紙が７０重量％以上を占める構成としても良い（請求項５の発明）。ここで、構成部品中の絶縁物のうち絶縁液体が含浸される絶縁材料としては、主に巻線の被覆に用いられる絶縁紙と、構造物に用いられるプレスボードとがあり、そのうち絶縁紙は乾燥（水分除去）しやすいが、プレスボードは乾燥（水分除去）しにくい事情がある。上述のように、密封容器内の水分量を少なくすることが絶縁性能を高め信頼性の向上につながるため、絶縁材料の水分を効果的に除去することが望ましいが、乾燥しやすい絶縁紙の割合を多くすることにより、乾燥時間の短縮化を図ることができ、製造工程を簡単化することができる。
【００２０】
また、本発明では、構成部品のうち絶縁材製の構造物を、従来のプレスボードに代えて、プラスチック材料から構成することもできる（請求項６の発明）。これによれば、プレスチックは、絶縁紙やプレスボードと異なってほとんど水分を含まないので、やはり、乾燥時間の短縮化を図ることができ、製造工程を簡単化することができる。
【００２１】
本発明の電気機器は、変換機などの過負荷定格を有する負荷に対して用いることができる（請求項７の発明）。ここで、本発明の電気機器を、過負荷定格を有する負荷に対して用いる場合には、内部（巻線）の温度上昇が大きくなる（例えば１．２倍）事情がある。ところが、上述のように、本発明の電気機器は、絶縁寿命を大幅に向上することができるので、１００％負荷時の温度上昇を考慮しておけば、過負荷定格においても所要の寿命を得ることが可能となり、また体積を大きくすることなく済ませることができる。
【００２２】
本発明の電気機器の製造方法は、上記した請求項１ないし７のいずれかに記載の電気機器を製造するための方法にあって、容器内に構成部品を収容した後、乾燥処理を行なわずに、真空引きのみを行って絶縁液体を注入するところに特徴を有する（請求項８の発明）。本発明によれば、上記したように、絶縁液体として従来の鉱油に代えて天然エステルあるいは合成エステルを用いたことにより、絶縁物の水分を吸収しやすい性質を有すると共に、含有水分量の許容値が十分に高いので、乾燥処理を省略することができ、製造性をより一層高めることができる。
【００２３】
また、本発明の電気機器の製造方法は、上記した請求項３記載の電気機器を製造するための方法にあって、容器内に構成部品を収容した後、該容器内に絶縁液体を注入し、その後、前記容器内の絶縁液体を水分含有量の少ない絶縁液体で置換する処理を行なうところに特徴を有する（請求項９の発明）。これによれば、容器内に絶縁液体を注入することにより、絶縁液体が絶縁物の水分を効果的に吸収し、その後、容器内の絶縁液体を水分含有量の少ない絶縁液体で置換することによって、密封容器内の初期水分濃度を２００ｐｐｍ以下とした電気機器を容易に得ることができ、製造性を高めることができる。
【００２４】
本発明の電気機器の製造方法は、上記した請求項３記載の電気機器を製造するための方法にあって、容器内に構成部品を収容した後、該容器内に絶縁液体を注入し、その後、脱気装置等により前記容器内の絶縁液体に対する水分を除去する処理を行うところに特徴を有する（請求項１０の発明）。これによれば、容器内に絶縁液体を注入することにより、絶縁液体が絶縁物の水分を効果的に吸収し、その後、脱気装置等により容器内の絶縁液体に対する水分を除去する処理を行うことにより、密封容器内の初期水分濃度を２００ｐｐｍ以下とした電気機器を容易に得ることができ、製造性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の電気機器によれば、環境負荷を低減すると共に防災性に優れ、しかもコンパクトで経済性に優れたものとすることができるという優れた効果を奏する。また、本発明の電気機器の製造方法によれば、環境負荷を低減すると共に防災性に優れ、しかもコンパクトで経済性に優れる電気機器を、簡単な工程で製造することができるという優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を変圧器に適用したいくつかの実施の形態について、図１ないし図７を参照しながら説明する。
（１）第１の実施の形態
以下、図１ないし図６を参照して、本発明の第１の実施の形態(請求項１、３、４、７、９に対応)について述べる。図１ないし図３は、本実施形態に係る電気機器たる変圧器１１の構成を概略的に示している。
【００２７】
この変圧器１１は、図１に示すように、容器たるタンク１２内に、構成部品たる変圧器本体１３を収容し、内部に絶縁及び冷却のための後述する絶縁液体１４を注入，含浸した状態で密封構造とされるものである。前記タンク１２内の上部には、絶縁液体５の熱膨張、収縮を吸収するための窒素室１５が設けられている。また、図示はしないが、タンク１２には、絶縁液体１４を冷却するためのラジエータが連結されている。
【００２８】
前記変圧器本体１３は、鉄心１６に一次，二次の巻線１７を巻装して構成されている。このとき、前記巻線１７は、図２に概略的に示すように、素線１７ａを巻回して構成されており、その巻線１７の層間には、ダクトピース１８が配置されて冷却用のダクトが形成されるようになっている。また、巻線１７の両端部には、コイル押え１９が設けられている。さらに、図３にリードサポート部の構成を概略的に示すように、巻線１７のリード２０は、リード支え２１により保持されるようになっている。
【００２９】
このとき、前記巻線１７を構成する素線１７ａは、絶縁物としての絶縁紙により被覆されており、前記リード２０も、その外周に絶縁紙が巻回されて構成されている。そして、前記ダクトピース１８、コイル押え１９、リード支え２１、その他図示しない支持構造物等は、絶縁物としてのプレスボードから構成されている。これら絶縁紙及びプレスボードは、耐熱クラスＡ（１０５℃）の絶縁物であり、絶縁液体１４を含浸する材料である。尚、変圧器１１に用いられている絶縁物としては、他にも、絶縁液体１４を含浸しない材料として、ガラスやプレスチックフィルムなどがある。
【００３０】
さて、本実施形態では、前記絶縁液体１４は、２５０℃以上の引火点を有し、流動点降下剤及び酸化防止剤を添加してなる天然エステルから構成されている。具体的には、本実施形態では、天然エステルとして例えば菜種油を主成分とし、これに、流動点降下剤としてのポリメタクリレートを例えば１０ｐｐｍ、酸化防止剤としてのＤＢＰＣ（ディターシャルブチルパラクレゾール）を例えば０．３重量％添加したものが採用されている。この絶縁液体１４は、引火点が３３０℃である。
【００３１】
そして、本実施形態の変圧器１１は、後述する製造方法により製造され、これにより、前記タンク１２内の初期水分濃度が、２００ｐｐｍ以下とされている。また、本実施形態の変圧器１１は、巻線温度上昇が６０〜７０Ｋ（最高温度が１２０℃以上）に設定されている。さらに、本実施形態の変圧器１１は、例えば変換機などの過負荷定格を有する負荷に対して用いられるようになっている。
【００３２】
ここで、前記変圧器１１の製造方法について述べる。変圧器１１を製造するにあたっては、まず、変圧器本体１３を製作し、これをタンク１２内に収容する。このとき、変圧器本体１３中の絶縁物（絶縁紙及びプレスボード）は、水分を含んでおり、後の作用説明でも述べるように、絶縁紙の含有水分が多くなるとその劣化が早くなり、また、絶縁液体１４中の水分量が多くなると絶縁性能が低下する事情がある。そこで、まず、変圧器本体１３の乾燥処理が行われ、その後、タンク１２内が真空引きされた状態で、絶縁液体１４を注入することが行われる。この乾燥処理及び真空引きにより、変圧器本体１３に含まれている水分の大部分が除去される。この場合、後述するように、鉱油を用いていた従来に比べて、乾燥処理の時間短縮（あるいは省略）を図ることができる。
【００３３】
この状態で、ある程度放置がなされ、その後、タンク１２内の絶縁液体１４を水分含有量の少ない絶縁液体１４で置換する処理が行なわれる。ここで、天然エステルからなる絶縁液体１４は、たとえば鉱油に比べて含有水分量の許容値が十分に高く、水分を吸収しやすい特性があるので、１回目に注入された絶縁液体１４により、変圧器本体１３の絶縁物中に残存していた水分も効果的に吸収される。そして、水分含有量の少ない絶縁液体１４で置換されることによって、タンク１２内の初期水分濃度を２００ｐｐｍ以下のごく少ないものとすることができるのである。
【００３４】
次に、上記構成の作用について、図４〜図６も参照して述べる。本実施形態における絶縁液体１４は、流動点降下剤及び酸化防止剤を添加してなる天然エステルから構成されているので、優れた絶縁性及び冷却性を有し、これに加え、天然品であって生分解性があるため油漏れがあっても土壌を汚染することがなく、更に、難燃性が高く、防災性に優れたものとなる。次に掲載する表１は、本実施形態における天然エステルを用いた絶縁液体１４の特性（一例）を、鉱油を用いた従来例（代表例）と比較して示したものである。尚、この表１には、便宜上、次の第２の実施形態の合成エステルを用いた場合の例についても併せて示している。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
この表１から判るように、天然エステルを用いた絶縁液体１４は、引火点(３３０℃)及び燃焼点（３６０℃）が、鉱油(１５０℃及び１７０度)に比べて著しく高く、難燃性を大幅に向上させることができる。このとき、引火点が２５０℃以上であることにより、危険物の引火性液体の扱いを受けずに、可燃物扱いとなり、ひいては消防設備の簡略化も可能となる。
【００３７】
一方、天然エステルは、そのままでは、変圧器の絶縁液体として必要な低温での流動性及び酸化安定性に難点がある。ところが、流動点降下剤及び酸化防止剤の添加により、必要な低温での流動性及び十分な酸化安定性を得ることができる。この場合、表１に示すように、低温での流動性は、鉱油に比べてやや劣るものの、日本国内で使用する絶縁液体として問題のない、−２７．５℃の流動点を確保することができた。酸化安定性の面では、鉱油と同等の酸化安定度を得ることができた。
【００３８】
そして、表１に示すように、天然エステルを用いた絶縁液体１４は、比誘電率が鉱油と比べて高く、油浸絶縁物の比誘電率（３．５〜４程度）に近いので、絶縁上の弱点である絶縁液体１４に加わる電界を低減することができ、この結果、鉱油を用いた場合と比べて絶縁性能を向上させることができる。このことは、天然エステルを用いた絶縁液体１４を使用することにより、絶縁面でコンパクトな変圧器１１が得られることを示している。天然エステルの絶縁破壊電圧は鉱油と同程度であり、信頼性ある変圧器１１が得られる。
【００３９】
また、表１から、天然エステルを用いた絶縁液体１４は、鉱油に比べて動粘度が高く，冷却性能に劣るように見えるが、本発明者らの実験では、天然エステルは鉱油と同等の十分な冷却性能を有していることが判明している。上記天然エステルを用いた絶縁液体１４は、従来の鉱油と比べてそれ自体は高価なものとなるが、変圧器１１全体としてみれば、絶縁液体１４を変更することによるコストアップは僅かであり、むしろ製造工程の簡略化、装置のコンパクト化などを考慮すれば、鉱油を用いた場合と比較して、コスト面でさほど不利とならずに済ませることができるのである。
【００４０】
次に、天然エステルは、水分を吸収しやすい特性を有しており、飽和水分量で比較すると、鉱油が数十ｐｐｍに対して、天然エステルは、２０００ｐｐｍ程度である。これにより、変圧器本体１３の絶縁物、特に巻線１７に被覆されている絶縁紙に含まれている水分を、絶縁液体１４により効果的に吸収することができる。即ち、一般に、油入変圧器の絶縁寿命は、巻線１７に被覆されている絶縁紙の劣化度合によって決まる。天然エステルからなる絶縁液体１４を用いることにより、絶縁紙の含有水分を少なくすることができ、劣化を遅らせて寿命を長くすることが可能となる。
【００４１】
ここで、絶縁紙の寿命を判定するには、重合度の値を用いることができる。絶縁紙を構成しているセルロースは、劣化により分子の結合が徐々に切れ、低分子化する。分子の長さを測ればその劣化度も判るので、分子の長さを、セルロースを溶かした溶液の粘度を測定することにより測定し、もって重合度を求めることができる。そして、絶縁紙における重合度と機械強度とは強い関連性があり、一般に、重合度が初期の１／２程度に低下する時期と、機械強度が１／２になる時期とはほぼ一致する。巻線１７の被覆である絶縁紙の機械強度が１／２になると、変圧器１１の運転中の短絡機械力に耐えられなくなると考えられるので、絶縁紙の寿命＝変圧器１１の寿命とみなすことができる。
【００４２】
図４は、時間経過に伴う、絶縁紙の重合度の変化つまり劣化度合の様子を示しており、天然エステルを用いた絶縁液体１４で含浸されたものでは、鉱油で含浸されたものと比べて、劣化の進み具合が緩やかで、重合度が５０％に低下した時点を寿命とすると、天然エステルを用いた絶縁液体１４の場合、鉱油を用いた場合と比較して２〜４倍の寿命が期待できる。
【００４３】
さて、変圧器１１を設計するに際しては、絶縁紙の最高温度で温度設計が決まる。通常の油入変圧器では、定格状態の最高温度は１０５℃であるが、天然エステルを用いた絶縁液体１４を使用することにより変圧器１１の耐熱性を向上することができる。具体的には、耐熱クラスＡ（１０５℃）の絶縁物（絶縁紙やプレスボード）を使用していながらも、巻線温度上昇を６０〜７０Ｋ（最高温度を１２０℃以上）に設定しても、従来のものと同等の寿命が得られるのである。最高温度を１２０℃以上にできるということは、見方を変えれば、通常の温度（最高温度１０５℃）で使用する限りは、変圧器１１（タンク１２）をコンパクトにできるということである。
【００４４】
次に、図５は、絶縁液体の水分含有量と、絶縁破壊電圧との関係を示している。即ち、絶縁液体に水分が多く侵入すると、絶縁性能が低下し、ひいては液体中に放電が発生して遂には絶縁事故に至る虞がある。図示のように、従来の鉱油では、水分量が５０ｐｐｍ程度になると、絶縁破壊電圧が１／２になるのに対し、天然エステルを用いた絶縁液体１４では、４００ｐｐｍ程度まで絶縁破壊電圧は変化しない。本実施形態では、上記のようにタンク１２内の初期水分濃度を２００ｐｐｍ以下としているので、高い絶縁性能が得られ、信頼性の向上を図ることができる。また、含有水分量の許容値が鉱油に比べて十分に高いので、従来の鉱油を用いた場合と比較して、水分量の管理も比較的容易となり、上述のように乾燥処理の工程等の簡単化を図ることもできる。
【００４５】
また、上述のように、本実施形態の変圧器１１は、変換機などの過負荷定格を有する負荷に対して用いられるのであるが、この場合、例えば、負荷電流１５０％２時間を、２回／日というように設定される。このとき、負荷の運転電流に対して、図６に示すように、変圧器１１の巻線１７の温度は上昇し、過負荷定格がない場合と比較して、巻線１７の平均温度上昇で約１．２倍の温度上昇となる。
【００４６】
ここで、自冷式の変圧器の場合、巻線の平均温度上昇は雰囲気温度に対して５５Ｋと規定されているのに対し、変換機等の高調波を多く含む場合、ＪＥＣ−２４１０−１９９８（電気学会  電気規格調査会規格「半導体電力変換装置」）では、過負荷時の変圧器の巻線の雰囲気温度に対する平均温度上昇は最大６０Ｋと、５Ｋだけ高く規定されている。しかし、温度上昇としては、過負荷定格時の温度上昇によって決まり、上記の例では、過負荷時における巻線の平均温度上昇が、１００％負荷時の１．２倍となる。従って、過負荷時における巻線の平均温度上昇を最大６０Ｋとすると、逆算すれば、１００％負荷時における温度上昇は５０Ｋとなり、上記５５Ｋに対して低くしなければならない。
【００４７】
本実施形態の変圧器１１は、天然エステルを用いた絶縁液体１４を採用したことにより、上述のように、変圧器１１の寿命を決定する絶縁紙の寿命を、鉱油を用いた場合の２〜４倍に延ばすことができるので、１００％負荷時の温度上昇を考慮しておけば、過負荷定格においても所要の寿命を得ることが可能となり、また体積を大きくすることなく済ませることができるのである。
【００４８】
このように本実施形態の変圧器１１によれば、絶縁液体１４として、従来の鉱油に代えて流動点降下剤及び酸化防止剤を添加してなる天然エステルを採用したので、鉱油と同等あるいはそれ以上の絶縁性能及び冷却性能を得ながらも、環境負荷を低減すると共に防災性に優れたものとなり、しかもコンパクトで経済性に優れるものとすることができるという優れた効果を得ることができる。また、本実施形態の変圧器１１の製造方法によれば、吸水性に優れるという天然エステルの特性を利用して、タンク１２内の初期水分濃度を２００ｐｐｍ以下とした変圧器１１を容易に得ることができ、製造性を高めることができるものである。
【００４９】
（２）第２の実施の形態
次に、本発明の第２の実施の形態（請求項２に対応）について述べる。この第２の実施の形態が、上記第１の実施の形態と異なる点は、絶縁液体１４として、流動点降下剤及び酸化防止剤を添加してなる天然エステルに代えて、工業的に製造された２５０℃以上の引火点を有する合成エステルを用いたところにある。この場合、合成エステルとしては、例えば一塩基性の脂肪酸と多価アルコールとを反応させて製造されるポリオールエステルが採用されており、その引火点は２７０℃とされている。
【００５０】
この合成エステルからなる絶縁液体１４は、上記した表１に示すように、引火点及び燃焼点が、鉱油に比べて著しく高く、難燃性に優れ、また、十分な低温での流動性及び酸化安定性を得ることができる。比誘電率が鉱油と比べて高く、絶縁破壊電圧も鉱油と比べて高く、鉱油と同等の冷却性能を有しており、信頼性ある変圧器１１が得られる。従って、この第２の実施形態においても、カーボンニュートラルという自然材料を利用すること以外については、上記第１の実施形態と同様の作用、効果を得ることができるのである。
【００５１】
（３）第３の実施の形態
次に、本発明の第３の実施の形態（請求項５に対応）について、図７も参照して述べる。この第３の実施の形態が、上記第１の実施の形態と異なる点は、変圧器本体１３中の絶縁物の総量のうち、絶縁紙が７０重量％以上を占める構成とした、言換えればプレスボードの使用を極力少なくしたところにある。図示はしないが、具体的には、図２に示したコイル押え１９やその他の図示しない支持構造物については、プレスボードに代えて、例えば絶縁紙を複数枚重ねたものから構成し、図３に示したリード２０についてはその周囲に巻かれている絶縁紙を厚くし且つ構造材に直接的に縛るなどの方法により、プレスボード製のリード支え２１を省略するようにしている。
【００５２】
ここで、上述のように、変圧器本体１３を構成する絶縁物のうち絶縁液体が含浸される絶縁材料としては、主に巻線１７の被覆に用いられる絶縁紙と、構造物に用いられるプレスボードとがあるが、図７に示すように、そのうち絶縁紙は乾燥（水分除去）しやすいが、プレスボードは乾燥（水分除去）しにくい事情がある。また、上記したように、タンク１２内の水分量を少なくすることが変圧器１１の絶縁性能を高め信頼性の向上につながるため、絶縁材料の水分を効果的に除去することが望ましい。そこで、本実施形態のように、変圧器本体１３中の絶縁物として、乾燥しにくいプレスボードの使用を極力少なくし、乾燥しやすい絶縁紙の割合を多くすることにより、乾燥時間の短縮化を図ることができ、製造工程を簡単化することができる。
【００５３】
（４）第４の実施の形態
次に、本発明の第４の実施の形態（請求項６、８に対応）について述べる。新たに図示はしないが、この第３の実施の形態が、上記第１の実施の形態と異なる点は、変圧器本体１３のうち絶縁材製の構造物、即ち、ダクトピース１８、コイル押え１９、リード支え２１、その他図示しない支持構造物等を、従来のプレスボードに代えて、プラスチック材料から構成したところにある。そして、本実施形態では、変圧器１１を製造するにあたり、タンク１２内に変圧器本体１３を収容した後、乾燥処理を行なわずに、真空引きのみを行って絶縁液体１４を注入するようにしている。
【００５４】
ここで、プラスチック材料は、ほとんど水分を含まないので、これをプレスボードに代えて使用することにより、乾燥処理の簡略化を図ることができる。つまり、上述のように、絶縁液体１４として従来の鉱油に代えて天然エステル（あるいは合成エステル）を用いたことにより、含有水分量の許容値が十分に高く、また、乾燥しにくいプレスボードを使用しないことにより、真空引きのみで絶縁紙の水分を十分に除去することができるようになり、以て、乾燥処理を省略することができるのである。これにより、乾燥処理を行なわずとも、タンク１２内の初期水分濃度を低いもの（例えば２００ｐｐｍ以下）とすることができるので、製造工程を簡単化し、製造性をより一層高めることができる。
【００５５】
（５）第５の実施の形態、その他の実施の形態
最後に、本発明の第５の実施の形態（請求項１０に対応）について述べる。子の第５の実施の形態が、上記第１の実施の形態と異なる点は、変圧器１１の製造工程にあり、図示はしないが、本実施形態では、タンク１２内に変圧器本体１３を収容した後、該タンク１２内に天然エステルを用いた絶縁液体１４を注入し、その後、脱気装置等によりタンク１２内の絶縁液体１４に対する水分を除去する処理を行うようにしている。
【００５６】
この場合、図示はしないが、タンク１２に、導入管及び戻し管を介して脱気装置を接続し、タンク１２内の絶縁液体１４を導入管から脱気装置に導き、脱気装置によって水分を除去した後、戻し管を通してタンク１２内に戻すといった循環を一定時間行うことにより、タンク１２内の絶縁液体１４に対する水分を除去する処理を行うことができる。これにより、タンク１２内の初期水分濃度を２００ｐｐｍ以下とした変圧器１１を容易に得ることができ、製造性を高めることができる。
【００５７】
尚、上記各実施形態では、天然エステルとして菜種油を採用するようにしたが、天然エステルとしては他にも、例えば大豆油、紅花油、とうもろこし油、綿実油、ごま油、オリーブ油など様々なものを採用することができ、それらを複数組合せて使用することも可能である。また、流動点降下剤及び酸化防止剤の種類やその添加量についても、適宜変更することができる。合成エステルについても、様々なものを採用することができる。
【００５８】
そして、上記実施形態では、本発明を変圧器に適用したが、変圧器に限らず、リアクトル等の静止誘導機器、タンク内に収容される油中母線、サイリスタバルブ等の、容器内に構成部品を収容して絶縁液体（絶縁油）で含浸させた電気機器全般に本発明を適用することができる。その他、変圧器の構成や絶縁物の構造，材質等についても、様々な変形が可能であるなど、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得ものである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示すもので、変圧器の概略的縦断正面図
【図２】巻線の構成を概略的に示す縦断面図
【図３】リードサポート部の構成を示す図
【図４】絶縁液体の時間経過に伴う劣化の様子を示す図
【図５】含有水分量と絶縁破壊電圧との関係を示す図
【図６】負荷電流と巻線の温度との関係を示す図
【図７】絶縁物の含有水分量と乾燥時間との関係を示す図
【図８】従来例を示す図１相当図
【符号の説明】
【００６０】
図面中、１１は変圧器(電気機器)、１２はタンク(容器)、１３は変圧器本体(構成部品)、１４は絶縁液体を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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